第一節(jié) 介紹
氣候變遷成為近年來(lái)的環(huán)境議題。在城市地區(qū)，車輛為主要污然的來(lái)源。車輛數(shù)目急劇增加也導(dǎo)致各種污染的排放負(fù)荷量明顯的增加?？諝馕廴緛?lái)自轎車、巴士及卡車，尤其地面臭氧和微粒物會(huì)加重呼吸性疾病與引發(fā)哮喘發(fā)作。為了控制空氣污染，空氣污染量必須被監(jiān)測(cè)，并且因車輛而造成的污染應(yīng)該被鑒定。環(huán)境監(jiān)測(cè)、模塊和管理使我們能夠?qū)ψ匀画h(huán)境獲得更深的了解。
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)可能對(duì)于在城市監(jiān)測(cè)車輛的空氣污染而變得有幫助，且在城市不同道路上污染數(shù)量的相關(guān)數(shù)據(jù)也能被收集和分析。物聯(lián)網(wǎng)被實(shí)行作為一個(gè)連接對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)，其中的每個(gè)對(duì)象都可以被使用獨(dú)特的 ID 來(lái)稱呼，并且基于標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議來(lái)通訊。以兩種技術(shù)傳統(tǒng)上被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)模式的關(guān)鍵推動(dòng)者：無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)(WSN)和無(wú)線射頻辨識(shí)技術(shù)(RFID)。
第二節(jié) 污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
一、GPRS 傳感器數(shù)組
對(duì)于空氣污染監(jiān)測(cè)的在線 GPRS 感測(cè)數(shù)組已經(jīng)被設(shè)計(jì)、實(shí)行和測(cè)試了。被提出的系統(tǒng)包括移動(dòng)數(shù)據(jù)擷取單元(Mobile-DAQ)和固定式具有網(wǎng)絡(luò)功能的污染監(jiān)測(cè)服務(wù)器(Pollution-Server)。移動(dòng)式數(shù)據(jù)擷取單元整合了單片微處理器、空氣污染傳感器數(shù)組、通用封包無(wú)線服務(wù)調(diào)制解調(diào)器(GPRS-Modem)以及全球定位系統(tǒng)模塊(GPS-Module)。Pollution-Server 是一個(gè)高端可網(wǎng)絡(luò)鏈接的個(gè)人計(jì)算機(jī)應(yīng)用服務(wù)器。移動(dòng)式數(shù)據(jù)擷取單元聚集了空氣污染程度(CO、NO2 和 SO2)，并且將它們與 GPS 實(shí)際位置、時(shí)間和日期裝進(jìn)一個(gè)結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)隨后被上傳至GPRS-Modem，并經(jīng)由公共移動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至 Pollution-Server。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器借助各種客戶端，如環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)、車輛登記管理機(jī)構(gòu)以及旅游和保險(xiǎn)公司連接到Pollution-Server 作為更進(jìn)一步的用途。Pollution-Server 被接到 Google Map，以顯示大都市地區(qū)實(shí)時(shí)的污染程度和位置。
圖6.1系統(tǒng)硬件基本建構(gòu)模塊
該系統(tǒng)在沙迦的城市-UAE成功地測(cè)試。該系統(tǒng)報(bào)告以24小時(shí)/7天為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)污染程度和位置。系統(tǒng)整合了單片微處理器、數(shù)個(gè)空氣污染傳感器(CO、NO2、SO2)、GPRS-Modem和通用定位系統(tǒng)(GPSs)模塊顯影。綜合的單元是移動(dòng)式的物體和利用無(wú)線移動(dòng)式公用網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)擷取單元。該單元可以被放置在任何移動(dòng)式設(shè)備，例如公共運(yùn)輸車輛。當(dāng)車輛在移動(dòng)中，微處理器產(chǎn)生一個(gè)結(jié)構(gòu)，包含了從傳感器數(shù)組所獲取的空氣污染程度和從所鏈接的GPS模塊報(bào)告的實(shí)體位置。污染物的結(jié)構(gòu)隨后被上傳到通用封包無(wú)線射頻服調(diào)制解調(diào)器(GPRS-Modem)并經(jīng)由公用移動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Pollution-Server。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器借助有興趣的客戶端，例如環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)、車輛登記管理機(jī)構(gòu)、旅游和保險(xiǎn)公司等連接到Pollution-Server
66儲(chǔ)存污染程度作為進(jìn)一步的使用。Polution-Server連接到Google Map去顯示在大都市地區(qū)實(shí)時(shí)的污染程度和他們的位置，例如沙迦市城市-UAE。
二、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)
室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)是這些日子里一個(gè)新興的議題。受能源成本上升的驅(qū)使，建筑物越蓋越多或是改造得密不透氣來(lái)減少不必要的熱損失，結(jié)果空氣質(zhì)量水平在這樣的建筑物下降低。在這種情況下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)在建筑物監(jiān)測(cè)IAQ是幫助的。包含各種IAQ傳感器，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)測(cè)量在一個(gè)建筑內(nèi)各個(gè)不同位置的IAQ水平。網(wǎng)絡(luò)在建筑物內(nèi)整合了加熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，以確?？山邮艿氖覂?nèi)空氣質(zhì)量。使用傳感器網(wǎng)絡(luò)，各種室內(nèi)通空氣污染物(CO、CO2、VOCs和懸浮微粒)可以在容納污染物產(chǎn)生的潛在來(lái)源的空間中被測(cè)量。當(dāng)測(cè)量到的污染物程度高于可接受的，網(wǎng)絡(luò)將會(huì)提醒室內(nèi)人員，建筑物的氣候控制設(shè)備觸發(fā)器啟動(dòng)，排出污染的空氣并且從外面帶入新鮮的空氣。這項(xiàng)研究最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在各種不同的建筑物。為此，付擔(dān)得起的、低成本的無(wú)線IAQ控制器可以被容易地設(shè)置，避免昂貴的需要被開(kāi)發(fā)。
圖 6.2 室內(nèi)空氣質(zhì)量的測(cè)量
三、移動(dòng)式空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(MAQUMON)
網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在ISIS創(chuàng)建了由許多裝置在車輛的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的移動(dòng)式空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(MAQUMON)測(cè)量空氣中不同的污染物。數(shù)據(jù)點(diǎn)利用機(jī)載GPS標(biāo)記了位置和時(shí)間，該測(cè)量會(huì)被定期地上傳到服務(wù)器并處理，然后發(fā)布到微軟SensorMap入口網(wǎng)站。給定一個(gè)足夠數(shù)量的節(jié)點(diǎn)和多樣的移動(dòng)性模式，一個(gè)在大區(qū)域的空氣質(zhì)量詳細(xì)圖將會(huì)以較低成本獲得。傳感器平臺(tái)支持自主地去收集、儲(chǔ)存，和脫機(jī)數(shù)據(jù)檢索或是現(xiàn)場(chǎng)感測(cè)讀數(shù)的串流技術(shù)。內(nèi)建無(wú)線藍(lán)牙模塊提供給桌面計(jì)算機(jī)或PDA一個(gè)無(wú)線接口。
圖6.3傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
或者，該系統(tǒng)可以通過(guò)USB被存取。該有線的界面還可以提供電源板給無(wú)論是在線操作或是充電式的鋰電池。該裝置的電池壽命受限于幾個(gè)小時(shí)（在活動(dòng)數(shù)據(jù)擷取節(jié)點(diǎn)），但在車上安裝的情況下，它可以不斷地從打火機(jī)供電。此外，一個(gè)兩軸的MEMS加速計(jì)用來(lái)檢測(cè)是否系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)并且可以自動(dòng)地關(guān)閉所有沒(méi)有在使用的耗電組件(GPS、藍(lán)牙、氣體傳感器)。位置和時(shí)間信息由一個(gè)機(jī)載20個(gè)頻道SiRF-III型GPS模塊以1赫茲的采樣頻率提供。氣體濃度水平是由三個(gè)模擬的傳感器來(lái)測(cè)量：O3、NO2與CO/VOC。這些讀數(shù)隨著溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存在一個(gè)序列快閃的設(shè)備2MB。一個(gè)2x16規(guī)格的LCD屏幕提供有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)立即的視覺(jué)反饋（連接的接口、GPS鎖定、時(shí)間、移動(dòng)偵測(cè)以及傳感器讀數(shù)）。英特爾8051型的微控制器控制系統(tǒng)的各方面從電池充電到模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換和USB協(xié)議。傳感器的移動(dòng)性使用SensorMap移動(dòng)代理功能來(lái)處理。整體的空氣質(zhì)量將會(huì)被顯示在一個(gè)利用圖像迭覆的等高線圖。特定的傳感器和/或特定的地理位置的時(shí)間序列數(shù)據(jù)將會(huì)是可得的。
四、實(shí)時(shí)的空氣污染監(jiān)測(cè)
空氣污染對(duì)大氣中造成全球暖化和酸雨成分的濃度有明顯的影響。為了避免在自然界如此不利的不平衡，空氣污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是最重要的。在這種情況下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)對(duì)在實(shí)時(shí)基礎(chǔ)下使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，也就是實(shí)時(shí)無(wú)線空氣污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是有效的解決方法[5]。市售感應(yīng)氣體濃度的離散氣體傳感器，像是CO2、NO2、CO和O2被使用適當(dāng)?shù)男?zhǔn)技術(shù)來(lái)校準(zhǔn)。這些預(yù)先校準(zhǔn)的氣體傳感器與無(wú)線傳感器微粒整合，使用多跳的數(shù)據(jù)聚合算法在校園和Hyderabad城市現(xiàn)場(chǎng)布署。簡(jiǎn)易的中間件和網(wǎng)站接口，可以從網(wǎng)絡(luò)上任何地方來(lái)查看從被開(kāi)發(fā)的測(cè)式床而得的數(shù)字和圖表形式的現(xiàn)場(chǎng)污染數(shù)據(jù)。其他參數(shù)像是溫度和濕度也伴隨氣體濃度被感測(cè)，使得數(shù)據(jù)的分析能夠透過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)。
實(shí)驗(yàn)進(jìn)行使用了成熟的無(wú)線空氣污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在不同物理?xiàng)l件下證明系統(tǒng)收集實(shí)時(shí)精細(xì)的污染數(shù)據(jù)的可靠來(lái)源。這種情況下的目標(biāo)是想出符合成本效益的、可靠的、可擴(kuò)展的和準(zhǔn)確的具有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)空氣污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。市售的電化學(xué)和電阻加熱式傳感器用來(lái)感應(yīng)O2、CO2、CO和NO2的氣體。
（一）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的CO2氣體監(jiān)測(cè)
CO2氣體傳統(tǒng)的測(cè)量方法在大多數(shù)情況下使用人工監(jiān)測(cè)，其高度依賴工作人員手動(dòng)地以CO2檢測(cè)儀深入環(huán)境監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)的測(cè)量缺點(diǎn)像陽(yáng)光一樣的清楚，像是數(shù)據(jù)的收集受限不能全面地反映環(huán)境的條件、采樣間隔太久不能追蹤實(shí)時(shí)的異常狀況。此外，人工的監(jiān)測(cè)受限于一些環(huán)境，像是在某些惡劣的自然環(huán)境或甚至是一些有害的地區(qū)，導(dǎo)致人工監(jiān)測(cè)不能實(shí)施。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)整合了三樣主要的傳感器技術(shù)，嵌入式運(yùn)算與無(wú)線通信。由于它的靈活性和布署方便，它可以被應(yīng)用到無(wú)人的環(huán)境監(jiān)測(cè)和其他特殊的區(qū)域。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)代表了一個(gè)明顯的進(jìn)步，在這些傳統(tǒng)方法大范圍測(cè)量的增強(qiáng)。這種設(shè)計(jì)結(jié)合了原本的WSMN節(jié)點(diǎn)模塊的基礎(chǔ)與擴(kuò)展CO2傳感器接口。它可以在任何時(shí)間被使用在實(shí)時(shí)CO2氣體含量監(jiān)測(cè)檢查數(shù)據(jù)，和借助遠(yuǎn)程監(jiān)控功能傳送訊號(hào)到低階節(jié)點(diǎn)。由于它的安全性和效率，該系統(tǒng)可以被廣泛地使用在不同的方案。
1. 系統(tǒng)架構(gòu)
該系統(tǒng)采用層級(jí)式架構(gòu)，如圖6.4所示。底層含有被用于收集CO2氣體含量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)環(huán)境特質(zhì)和用戶需求分布在測(cè)量的環(huán)境中，并且根據(jù)不同的地理位置形成一些子網(wǎng)。所有網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)所收集的CO2氣體含量信息，并且透過(guò)射頻設(shè)備的多跳的方式發(fā)送它到上層的網(wǎng)關(guān)。中間層是中心服務(wù)器，它維持?jǐn)?shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫(kù)并且連接到網(wǎng)絡(luò)。最后，在移動(dòng)電話和終端PC上，用戶可以存取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)并且經(jīng)由服務(wù)器程序獲得CO2氣體含量的信息。
圖6.4系統(tǒng)架構(gòu)
第三節(jié) 車輛的污染監(jiān)測(cè)案例
空氣質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測(cè)是必要的，以確保污染程度和一些有害物質(zhì)的存在。幾個(gè)平常交通流量高的地點(diǎn)可以被識(shí)別出來(lái)被監(jiān)測(cè)。在這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，對(duì)于每個(gè)被監(jiān)測(cè)的位置，RFID讀取器被置于道路上的任一側(cè)，在它們之間有著固定的短距離。每輛通過(guò)道路的車都配備著被動(dòng)式RFID標(biāo)簽，由氣體傳感器組成的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)被放置在蕩路旁邊，這些節(jié)點(diǎn)持續(xù)收集感應(yīng)到的資料并且將其無(wú)線地發(fā)送至服務(wù)器。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)感應(yīng)到污染急劇上升，便開(kāi)始搜索有關(guān)的RFID標(biāo)簽，換言之，用貼在上面的RFID標(biāo)簽來(lái)辨識(shí)車輛所造成的污染。RFID讀取器借助它檢測(cè)一輛車通過(guò)，如圖6.5
圖6.5無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)如何作業(yè)
RFID讀取器辨識(shí)對(duì)應(yīng)的卷標(biāo)號(hào)碼并經(jīng)由GPRS調(diào)制解調(diào)器發(fā)送到服務(wù)器，當(dāng)污染程度增加時(shí)這個(gè)結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生警報(bào)。管理機(jī)構(gòu)可能會(huì)采取適當(dāng)措施相應(yīng)。所有收集的數(shù)據(jù)可被相關(guān)的機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)和分析，如圖6.6所示
圖6.6系統(tǒng)架構(gòu)
該系統(tǒng)相較于其他基于非RFID的車輛檢測(cè)系統(tǒng)，在成本和有效性方面具有一個(gè)較重要的意義。圖像處理的解決方法、GPS和衛(wèi)星解決方法需要大量昂貴且有力的設(shè)備，一旦污染的程度超過(guò)可允許的程度，駕駛者可能被建議去避免到該特定區(qū)域，它可以在一定的時(shí)間減少污染程度。
第四節(jié) 應(yīng)用技術(shù)
一、Arduino
Arduino是個(gè)開(kāi)放性硬件平臺(tái)，它能夠與多樣傳感器和通訊技術(shù)一起作業(yè)。它是一項(xiàng)彈性的微處理器和開(kāi)發(fā)環(huán)境，它不僅用來(lái)控制設(shè)備還可以用于從各種傳感器讀取數(shù)據(jù)。它的可擴(kuò)展性和簡(jiǎn)單性性吸引用戶和開(kāi)發(fā)者。因此，各種硬件的擴(kuò)展和軟件庫(kù)被開(kāi)發(fā)，它可以借助網(wǎng)絡(luò)使得有線和無(wú)線通信。為了在物聯(lián)網(wǎng)的世界實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，Arduino是一個(gè)在物聯(lián)網(wǎng)世界實(shí)行系統(tǒng)的完美開(kāi)放資源硬件平臺(tái)。
二、無(wú)線射頻辨識(shí)(RFID)技術(shù)
無(wú)線射頻辨識(shí)(RFID)[8]對(duì)于電子識(shí)別、定位、和追蹤產(chǎn)品、動(dòng)物和車輛是一項(xiàng)非常有用的技術(shù)。只是最近，低成本和增加功能才使RFID技術(shù)成為商業(yè)上可行的技術(shù)。RFID技術(shù)在這個(gè)案例是去檢測(cè)車輛造成的空氣污染。通訊發(fā)生于讀取器和轉(zhuǎn)發(fā)器（硅芯片連接到天線）之間，經(jīng)常稱之為標(biāo)簽。標(biāo)簽可以是主動(dòng)的（由電池供電）或是被動(dòng)的（由讀取器領(lǐng)域供電），并且允許各種形式，包括卷標(biāo)、智能卡、卷標(biāo)貼、手表、甚至是嵌入式移動(dòng)電話。用于通訊的頻率取決于應(yīng)用。
三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
氣體傳感器技術(shù)仍然處于發(fā)展階段，而且尚未達(dá)到他們?cè)诠δ芎褪褂蒙先康臐摿?。有一些技術(shù)是非常準(zhǔn)確的，但對(duì)大范圍部署非常昂貴。另一方面，透過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用，低成本技術(shù)能被使用，而且錯(cuò)誤的問(wèn)題可能以借助多重性的數(shù)據(jù)潛在地被減少。為了更準(zhǔn)確的分析，大量從個(gè)別傳感器搜集的輸出可以被比較。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供很有用的新方法來(lái)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量。
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